嵌入式硬件篇—PWM&电机&舵机

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前言

本文简单介绍了电机、舵机以及使用PWM来控制电机转速、舵机转动角度等知识

第一部分:电机

1.按照工作电源分类

直流电机 交流电机

直流电机：使用直流电源的电机
特点：具有良好的启动和调速性能，适用于频繁启动、制动和调速的场合

交流电机：使用交流电源的电机（可分为同步电机、异步电机）
特点：结构简单、维护方便、效率高，广泛用于工业和家庭电器中

2.按照结构原理分类

同步电机 异步电机 有刷电机 无刷电机

1. 同步电机
   定义：同步电机的转速与电源频率成正比，其转子转速与定子旋转磁场同步。
   特点：转速稳定，适用于需要恒速运转的场合，如发电设备和某些工业机械。
2. 异步电机
   定义：异步电机的转速低于旋转磁场的同步转速，转子与定子磁场之间存在相对运动。
   特点：结构简单，成本低，广泛应用于各种中小型机械设备。
3. 有刷电机
   定义：有刷电机是指电机内部有换向器和电刷的电机。
   特点：成本低，控制简单，但电刷和换向器易磨损，维护需求较高。
4. 无刷电机
   定义：无刷电机去掉了换向器和电刷，采用电子换向。
   特点：效率高，寿命长，维护少，但控制电路较为复杂。

3.按照电机的使用目的

驱动电机 执行电机 直驱电机

1. 驱动电机
   定义：驱动电机主要用于提供持续的动力输出。
   应用：
   减速电机：用于大型设备和机构，通过减速增扭，提供较大的输出转矩。
   调速电机：用于小型设备和机构，能够根据需要调整转速。
2. 执行电机
   定义：执行电机用于精确的位置和速度控制，通常需要高精度的反馈系统。
   应用：
   步进电机：适用于不需要高精度位置控制的应用，如打印机、雕刻机。
   伺服电机：带有编码器反馈，适用于需要高精度位置、速度控制的应用，如机器人、数控机床。
3. 直驱电机
   定义：直驱电机直接与负载连接，无需传动机构，减少了能量损失和噪音。
   应用：
   DD电机（直接驱动电机）：用于精密定位和高速运动控制，如硬盘驱动器。
   直线电机：将旋转运动转换为直线运动，用于高速、高精度直线运动控制，如磁悬浮列车、直线电机驱动平台。

编码器

编码器：来实现电机转速的反馈

额外小知识:

1. 有些设备的工作与否，不仅仅取决于电流的大小还取决于电流的方向
2. 通电导体产生磁性，形成电磁铁
3. 旋转的力矩成为扭矩，扭矩越大转速越快，增加电磁铁的磁力可以增加扭矩，增加线圈的数量可以增加电磁铁的磁力或者增加电流强度
4. 直流电机一般需要几百毫安的电流，但是GPIO口一般只能提供几毫安的电流。电机转动还有反电动势，如果进入芯片中会烧坏芯片通常使用电机驱动芯片来控制电机转动
5. 通过电机驱动芯片可以实现，电机正转、反转、刹车、滑行状态
6. 电机驱动芯片PWM控制电机转速的实现，存在控制低电平、高电平两种，区别在于控制低电平的占比（制动快）、控制高电平的占比（制动慢）

第二部分：PWM

pwm：脉冲宽度调制

1.实质

利用微处理器的数字输出对模拟电路的波形输出进行控制

2.面积等效原理

冲量相等，形状不同的窄脉冲，加载具有惯性的环节上，其效果基本相同
（面积的含义：电压与时间的乘积）（实现方波i与正弦波等效）

占空比：PWM波一个周期内高电平占比

面积等效原理的应用：输出等于输入乘以占空比（高电平电压保持不变，通过调整占空比，实现输出电压不同）

3.实例

直流有刷电机的控制：通过改变电机的正负极实现正转、反转
通过PWM来控制电压进而控制直流有刷电机的转速（因为直流电机，通的电压越大，转速越快）

工程上通过H桥电路来控制电机转动（通过MOS管的通断来实现电机的正转反转）

舵机

舵机按转动角度分

1.小角度舵机（0-90°）

2.中角度舵机（0-180°）

3. 大角度舵机（0-360°）

舵机按控制方式分

1.数字舵机

只需要发送一次控制信号，就可以使舵机固定到相应的角度

2.模拟舵机

需要不断地发送pwm信号来使其固定到相应的角度

注意：
使用舵机时先进行舵机分类，查询确定要求的PWM周期大小以及驱动原理
单片机程序语句执行速度远快于舵机转动，所以需要适当的延迟函数，避免舵机损坏

总结

以上就是今天要讲的内容，本文仅仅简单介绍了电机、舵机以及使用PWM来控制电机转速、舵机转动角度等知识

作者：Ronin-Lotus